Conserved and specialized features of thalamocortical wiring revealed by single-cell projection mapping in mouse and marmoset
通过结合小鼠和狨猴的单细胞基因表达与投影图谱绘制，本研究揭示了尽管灵长类动物的丘脑皮层回路表现出增强的空间隔离以支持专门化的连接性，但它们在根本上仍由保守的分子梯度所组织，这些梯度超越了离散的解剖边界并与皮层靶点位置相关联。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
大脑是一个庞大的神经纤维网络，但与那些连接固定且硬连线的计算机不同，活生生的脑是一个动态变化的景观，在不断生长和演变。在这复杂性的核心，坐落着丘脑——一个位于深处、呈蛋形的结构，扮演着中央中继站的角色。它接收来自眼睛、耳朵和皮肤的感觉信息，并将其传递给大脑的外层，即皮层，在那里产生思想与感知。几十年来，科学家一直将丘脑视为一系列截然不同、相互隔离的“房间”，每个房间都有特定的职责，并且彼此之间有着清晰的隔墙。这种观点认为，如果大脑需要处理更复杂的信息，它只需建造新的房间或对现有房间进行细分即可。然而，近期的观察表明，这些房间之间的墙壁可能并不像想象中那样坚固，信号和细胞类型是在边界间以平滑、连续的波浪形式流动，而非发生剧烈的跳跃。理解这个中继站是如何布线的至关重要，因为这掌握着不同物种（从小鼠到人类）如何进化以处理周围世界的关键。
一个研究小组致力于解决一个根本性的谜题：大脑如何在保持其布线有序的同时，又能通过扩张来应对灵长类动物大脑的复杂需求？他们专注于两种截然不同的动物：大脑相对较小的小鼠，以及大脑是其放大版本、拥有更大视觉和决策区域的小型狨猴。挑战在于观察这两个物种中丘脑的单个神经细胞是如何连接到皮层的。为了实现这一目标，科学家们使用了一种强大的新技术，称为 BARseq。想象一下有一种方法，不仅能读取单个神经细胞的遗传身份，还能追踪该细胞将其被称为“轴突”的长而细的尾巴精确发送到了何处，从而与大脑的其他部分建立连接。通过将这种方法应用于狨猴中的一百多万个细胞和小鼠中的数千个细胞，研究人员创建了一张关于这些连接是如何组织的详细地图。
研究揭示了大脑构建方式中一种令人惊讶的双重性。在某种层面上，研究人员发现丘脑并不是由僵化、孤立的房间组成的。相反，他们发现基因表达（细胞内的化学指令）以及它们连接的目的地在整个丘脑中是逐渐变化的。在小鼠和狨猴中，位于两个不同丘脑区域边界附近的细胞，往往彼此之间比它们与自己区域深处的细胞更为相似。这意味着解剖学家所划定的传统边界并不是大脑布线的硬性停止点；相反，连接在这些边界处以平滑、连续的梯度形式流动。这一发现表明，大脑并不需要发明全新的细胞类型或建造新的结构来处理更复杂的任务，它只需拉伸或移动这些现有的、连续的图谱，即可适应更大的皮层。
然而，故事并不仅仅关乎平滑的梯度。当研究人员进行更细致的观察时，他们发现了两个物种之间显著的差异。在小鼠中，相邻神经细胞的连接是高度混合的；一个向视觉区发送信号的细胞，其旁边可能紧挨着一个向运动区发送信号的细胞。但在狨猴中，组织变得更加精确。狨猴丘脑中相邻的细胞倾向于将信号发送到大脑中同一个特定的部分，形成了一种更紧密、更点对点的排列方式。这种精度的提升使得狨猴的单个神经元能够比小鼠的神经元更精准地瞄准更小、更具体的皮层区域。看来，随着灵长类大脑的扩张，它不仅仅是把现有的布线规模扩大了，更是优化了局部连接，使其更具选择性和组织性，从而实现了对特定大脑功能的更精细控制。
研究人员还发现了一种将大脑化学成分与其地理位置联系起来的隐藏语言。他们发现，丘脑细胞的遗传构成可以预测该细胞会在皮层的前后方向上精确发送信号到何处。这种关系在小鼠和狨猴身上都成立，表明这是大脑布线中一种经过数百万年进化而保留下来的基本规则。尽管狨猴的大脑更大、更复杂，但它仍然依赖于这套相同的底层坐标系统。研究结论指出，大脑通过在古老的、保守的全局图谱之上，叠加新的、专门化的局部模式来管理其复杂性。丘脑既不是一组僵化的房间，也不是一池完全流动的汤液；它是一个景观，平滑且连续的梯度提供了基础，而物种特有的专业化功能则在其之上构建，以满足每种动物心智的独特需求。
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